非平衡电桥的输出特性研究

08128041 唐浩

摘 要：基于非平衡电桥是最常见、最普遍的信号调理电路之一。本实验通过研究非平

衡电桥在单臂，双臂，四臂输入下的电压输出特性，分析其灵敏度和非线性误差。

关键词：非平衡电桥；电压输出特性；灵敏度；非线性误差

output characteristic of Non-balance electric bridge

08128041 Tang-hao

Abstract: Based on non-balanced bridge is the most common, the most common

one signal conditioning circuit. This experiment reaserch on the output characteristic of

Non-balance electric bridge , which work on Single arms double arms and four arms , analysis the sensitivity and nonlinear error of Non-balance electric bridge .

Key Words ： Non-balance electric; bridge ; output characteristic ; sensitivity nonlinear

error.

0引言

近年来，非平衡电桥在教学中受到了较多的重视，因为通过它可以测量一些变化的非电量，这就把电桥的应用范围扩展到很多领域，实际上在工程测量中非平衡电桥已经得到了广泛的

[1]

应用。在传感技术，非电量测量技术，以及在自动检测技术中广泛用作测量信号的转换。对于电阻型传感器，利用非平衡电桥可以很快测量这些传感元件的电阻值的变化，从而得到这些物理量变化的信息。为此进行非平衡电桥的输出特性研究。

1 实验基本原理

1.1 实验电路图如图1[2]所示：

图 1 非平衡电桥的实验原理图

图1中非平衡电桥由四个可变电阻构成，通过数字万用表来测量电桥输出电压。设电源电压输出为U0，非平衡电桥的输出电压为UL。 则 ULU0[R3R3R1R1] （1）

(R3R3)(R4R4)(R1R1)(R2R2)R1R2R2R1R3R4() （2）

(R1R2)2R2R1R3R4ULU0经式（1）化简得：

可知，非平衡电桥的输出电压取决于各电阻的相对阻值变化。

二 理论分析

1.2 单臂输入非平衡电桥

[3]

设工作臂为R3，R3R0R, R1R2R40,R1R2R4R0,根据式（2）得：输出电压：ULU0R1R2R （3） 2(R1R2)R0设电桥比率KUR11,灵敏度：SU10 （4） R24R01R 。 2R0单臂工作时非线性误差为：1.3 双臂输入非平衡电桥

[3]

工作臂为相邻的两个桥臂，

R3RR4，R1R20，R1R2R0，根R3R4R0据式（2）得：

输出电压：ULU0R3R4UR()0 (5) 4R3R42R0U0 （6）2R0输出电压的灵敏度：SU2其非线性误差：20。 1.4四臂输入非平衡电桥

[3]

工作臂为四个桥臂：R1R2R3R4，R1R2R3R4R0,根据式（2）得：

输出电压 ：ULU0R2R1R4R3UR()0 （7） 4R2R1R4R3R0U0 （8）R0其电桥输出的灵敏度：SU4非线性误差为: 40。

三 实验装置、测量与结果

本实验用一个两用非平衡电桥实验箱和3个电阻箱完成，按上图所示方式连接电路图，将电源档拨至6V档，将首先将四个桥臂的电阻调至相等，使电桥达到平衡。调节电阻后，电桥

[5]

变为非平衡状态，这时对应于一个电压，通过对这个电压的测量，研究其输出特性。 3.1 单臂输入非平衡电桥电压测量

实验开始前将四个电阻调至相等，通过调整工作臂电阻的值，每次改变2，测量出对应的输出电压。通过这个电压，根据公式1R，可以算出每次改变电阻之后对应2R0的非线性误差，根据拟合曲线，算出其灵敏度。

表1 单臂输入非平衡电桥电压测试数据

R3R0R，R0300

R/ 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

UL 9.98 19.89 29.96 39.88 49.84 1 0.3% 0.7% 1% 1.3% 1.7% 其特性曲线如下：

图2 单臂输入非平衡电桥输出电压与改变电阻的关系

其拟合曲线解析式为：UL4.9855R0.0030 由式(3).(4)可计算其灵敏度为

SU4.9855mV/

3.2 双臂输入非平衡电桥电压测量

实验开始前将四个电阻调至相等，通过改变两个电阻值的大小，使其改变的大小相等，方向相反，由以上理论可知，其非线性误差为0，经过拟合曲线，可得出其灵敏度。

表2 双臂输入非平衡电桥电压测试数据

R3R0R , R4R0R R0300

R/ 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

其特性曲线如下：

UL 19.58 39.86 59.71 79.67 99.46

图3 双臂输入非平衡电桥输出电压与改变电阻的关系

其拟合曲线的解析式为UL9.9385R0.1050 ，由式(5).(6)可计算其灵敏度为

SU9.9385mV/

3.3 四臂输入非平衡电桥电压测量

实验开始前将四个电阻调至相等，改变四个桥臂测阻值大小，使每次阻值改变的大小相 等，方向相对应，其非线性误差为0，经过拟合曲线得出其灵敏度。

表3 四臂输入非平衡电桥电压测试数据

R1R0R , R2R0R , R3R0R , R4R0R , R0300

R/ 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 其特性曲线如下：

UL 39.0 79.51 119.32 158.99 199.62

图4 四臂输入非平衡电桥输出电压与改变电阻的关系

其拟合曲线的解析式为UL20.0360R0.9280 ，由式（7）.（8）可计算其灵敏度为SU20.0360mV/

4 非平衡电桥的应用

在传感技术，非电量测量技术，以及在自动检测技术中广泛用作测量信号的转换。对于电阻型传感器，利用非平衡电桥可以很快测量这些传感元件的电阻值的变化，从而得到一些物理

[4]

量变化的信息。

5 结论

将三种不同接法做比较，他们的特性曲线如下：

图 5 三种非平衡电桥输出电压与改变电阻的关系

由测量结果可知：

1、对于非平衡电桥，当RR0时，输出电压UL和R成近似的线性关系。

2、单臂输入时，当k=1时，电桥的输出的灵敏度最大；双臂输入时，灵敏度是单臂输入时的2倍；四壁输入时，电桥的灵敏度是单臂输入时的4倍。

3、单臂输入时，非平衡电桥有着固定的非线性误差，并且非线性误差随着电阻的相对变化量的增大而增大。在使用双臂或四臂输入时可以抑制非线性误差。

参考文献：

[ 1 ] 李庆春 . 非平衡电桥特性研究 [ J ]. 惠州学院学报，2008-28-6 [ 2 ]

李林 .应用非平衡电桥测量电阻实验的研究[D] 实验技术与管理 ，

2007-24-3

[ 3 ] 非平衡电桥输出特性研究 [D ]. 大学物理 ，2009-28-3

[ 4 ] 徐建元 . 非平衡电桥的研究与应用 [ J ]. ，青岛大学学报，2001-02-021 [ 5 ] 张逸民 ，张敏. 物理实验教程（理工科用）[ J ]实验

3.7 ，郑州大学出

版社,2005-8-1